神舟四号空间实验全景播放

发布时间:2003-01-01
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神舟飞船应用系统,是由中国科学院总负责,50多家单位协同配合,经1000多名科研人员共同研究完成的。据该系统发射队场试验技术总负责人介绍,神舟四号飞船应用系统将开展八项在轨应用任务的科学和技术研究。这包括多模态微波遥感器对地观测、综合精密定轨实验、综合性空间环境预报和监测、空间细胞电融合实验研究、生物大分子和细胞的空间分离纯化实验研究、微重力流体物理实验研究、有效载荷在轨技术支持系统实验等。共有52件有效载荷设备随神舟四号飞船升入太空,除了公用设备、大气探测器、微重力测量仪等19件设备已经参加过此前的飞行试验外,多模态微波遥感器、空间细胞电融合仪、高能粒子探测器等33件科研设备是首次上天。

同性细胞的“太空婚礼”
空间细胞融合实验被不少媒体描述成“太空婚礼”,但这样的描述并不准确。首先,被用作“新郎”和“新娘”的细胞都是同性的体细胞,而非生殖细胞。其次,细胞在空间进行融合实验后,“新郎”和“新娘”将被完全融合成一种新的细胞;返回地面后,这些新细胞是含有“新郎”与“新娘”所有基因的新品种。作为“新房”的电融合仪,是中国科学院上海技术物理研究所研究人员研制成的,它是一个不大的黑色小盒子,植物细胞和动物细胞的两项融合实验都同时在里面进行。
不管怎样形容太空的细胞融合,神舟四号电融合实验作为国际生物技术领域的前沿课题,已成为社会各界关注的焦点。迄今为止,还为检索到在空间成功进行动物细胞融合实验的报道,该实验将在空间微重力条件下进行细胞融合,这可以提高细胞融合率,为未来空间生物制药等产业的发展做一些探索。
直到飞船起飞前十几个小时,这些“新人”才会被研究人员亲自护送上飞船。因此,它们也是最后一批登上飞船的“乘客”。

植物苗倍受呵护
发射前夕,上海生命科学研究院植物生理生态研究所的科技人员,在基地的空间细胞电融合实验室里,按不同的时间段精心培育了8批次植物苗,这些植物苗分为两个品种。神舟四号飞船上用于植物融合的细胞就从它们之中提取。
为了养好这些的植物苗,实验室中安装了微电脑定时开关器,根据它们最适宜生长的湿度和温度,进行实时调控。这些植物苗被栽培在专门的营养土壤中,喝的是蒸馏水,经过六周的生长,就可以从中提取细胞了。植物苗分成两个品种,提取的一号细胞被去掉细胞壁,与二号细胞在空间融合。为使空间实验用细胞有更强的活力,直到发射前两天,才从其中的一批生长时间为6周的植物苗中提取细胞。
据参加该项目研究的科技人员介绍,之所以挑选这两种植物苗,是由于它们本身的细胞特征明显,并已经进行了大量深入的研究。从陆地的实验结果看,二号植物开的是黄花,一号植物开的是粉花,将两种植物细胞融合后,再生植珠开出的是黄花但形状却和一号植物相同。
由于细胞的密度是不同的,因此在地面上受重力影响细胞的融合是一个难题,细胞配对融合非常困难。在微重力条件下,重力的沉降现象消失了,从理论上讲细胞更容易组合。细胞融合对于植物的研究既是一个分析手段,又可以成为一个有力的合成手段,融合后的细胞为细胞遗传物质的修饰提供了各种各样的可能性,尤其在生物制药上有更深远的意义。比如说,可以设想,细胞融合技术发展后,可以把如人参和虫草的细胞融合,产生新的品种,具备它们各自特有的药效,这是非常有意义的事。

小白鼠娇生惯养
此次动物细胞的融合实验研究,采用的小白鼠淋巴细胞和骨髓瘤细胞。中国科学院上海生物化学细胞生物学研究所的研究人员介绍说,实验用的淋巴细胞是从纯种小白鼠的脾脏得到,这些纯种小白鼠,在饲养8周后,开始注入抗原进行免疫,三周为一周期,共注射四次抗体。这样,在小白鼠生长到17周到18周左右,在第三次注射抗原后 5到7天内,从小白鼠尾静脉中取血,制备血清,血清中抗原达到一定量,就可以被用于细胞融合的解剖对象了。虽然这次实验只需要8只小白鼠,但为了完成这次实验,发射场的实验室内共有40只小白鼠等待献身,另外还有32只在上海备用。
小白鼠从上海运到发射场需要先坐火车,再乘飞机。为了保证这些娇生惯养的小东西旅途安全,他们被放进了无菌消毒过的带窗口的特殊盒子中。窗口不仅有防止他们逃走的铁窗纱,而且还有隔离空气中细菌的特殊滤膜,怕它们途中渴了、饿了,盒子里还放进了饲料与水果。由于转乘飞机因故延误,需要隔天起飞。考虑到休息厅温度较低,小白鼠被机场人员特意请到了带空调的贵宾室,没有受一点委屈。到了发射中心的新家,为保证它们的安全,发射场的战士们24小时值班;室内温度不低于20度,湿度不小于60%。
走进小白鼠生活的无菌实验室,马上闻到一股怪怪的鱼腥味,令人不太习惯,但小白鼠的饲养条件格外讲究,他们生活在无菌环境中,所有笼子、笼具都经过消毒;它们的食物里富含各种维生素、矿物质等多种营养成分;它们在家喝的是无菌水,在发射场喝的是农夫山泉矿泉水。小白鼠自己也非常爱干净,它们会集中在笼子一边排泄,让自己休息的一边保持清洁,垫在笼子里的木屑也被它们拉到干净的一侧。令人惊讶的是,一只小白鼠的饲养费每个月只有5元。
据参试人员介绍,淋巴细胞可以产生抗体但不能繁殖,而骨髓瘤在体外可以无限繁殖,利用他们的各自优势进行细胞融合,将可以得到能够在体外产生单克隆抗体的杂交体,用以产生单克隆抗体。在地面,这两种细胞的地面融合率大约10-4到10-5左右。这些空间细胞融合实验利用神舟飞船在轨飞行时处于微重力的条件,进行细胞的融合,来验证几年来进行的地基研究的结果,力争在在实验方法和技术上有所突破,为未来的空间制药进行有益的探索。

为载人派出“太空哨兵”
正如飞机的飞行安全会受到雷电、暴风、骤雨等大气天气条件的影响一样,飞船和航天员的运行安全也会受到太空中的“空间天气”的影响。
神舟四号将国内现有的各种用于空间环境探测的仪器都纳入到空间环境监测系统中,装上了飞船,发挥其“太空哨兵”的作用,在飞船发射、运行、返回及留轨运行期间,进行实时空间环境监测,及时将“空间天气”情况通报给飞船控制管理人员,为未来载人打下基础。这项任务首次对空间环境进行了系统、全面地探测。
尽管神舟飞船运行轨道空间的真空度很高,但也不是空无一物。恶劣的“空间天气”将会影响到飞船的在轨运行。如高能量的带电粒子穿透力很强,可射入飞船内部,影响航天员的生命安全,损伤设备及材料。大量的低速粒子打到飞船上可使飞船表面带静电,有时可达上千伏。静电及其放电会产生电磁干扰,影响飞船和地面的通信、船内设备的工作、太阳电池的工作效率及飞船表面的温控层等。飞船轨道空间还有稀薄的大气,在太阳风暴时,大气密度会有几倍的增加,飞船轨道高度下降加快,最多时每天可下降上百米。如果继续不管它,它就会逐渐坠入大气层烧毁。因此,必须对飞船的轨道进行调整,以保证飞船的任务完成和寿命安全。飞船轨道高度的大气成分已与地面不同,主要成分为原子氧。原子氧有很强的活性,它会腐蚀飞船的表面材料、光学镜头等,使暴露在飞船外的材料性能变差。飞船轨道空间还有许多微小的空间碎片和微流星等,它们撞击在飞船表面,会打出无数个小坑,就象沙子侵蚀一样。大的空间碎片相对要少一些,一般撞击的几率不大,不过一旦撞击可能就是致命的。
在神舟四号飞船上,空间环境的探测仪器包括安装在附加段的高能质子重离子探测器、高能电子探测器、低能粒子探测器;安装在返回舱的固体径迹探测器,这些探测器对轨道空间的各种带电粒子进行监测。而单粒子事件探测器和两台表面电位探测器将监测这些带电粒子引起的单粒子效应和飞船表面充静电电位。曾在神舟二号和神舟三号上发挥过重要作用的大气密度探测器和大气成分探测器,将在神舟四号上继续密切关注轨道大气的密度和成分变化。
这些探测仪器是我国科技工作者多年研究的精华,与国外同类仪器比具有质量、体积和功耗小的优势,在综合性能上具有一定的先进性,更重要的是它们将首次获得飞船轨道空间的第一手综合性资料。这对实时保证神舟四号飞船的在轨安全,研究飞船轨道空间的“空间天气”状况,保障正式载人飞行的安全均具有十分重要的意义。
飞船返回舱返回后,留在轨道舱的探测仪器,将继续在轨工作半年。它们的实时监测结果对研究“空间天气”的变化规律及对飞船的影响,开展“空间天气”预报十分重要。

飞船飞多高,综合来精测
天上飞行的飞船到底离我们有多远?为了配合多模态微波遥感器对地观测系统的实验,中国科学院首次进行了综合精密定轨实验,将在预定的定轨区域内的径向测量精度提高到2到3米,力争1米;这还将对国内低轨卫星轨道的精确测量工作起到促进作用。
这次的精密定轨实验主要采用三种方法进行,再结合动力学和几何学的方法,对观测资料进行处理,以精确确定飞船的运行轨道。
第一种方法是利用全球定位系统,测量仪器装在飞船内。这种方法可以实时获得飞船全球定位的观测数据,再经过进一步的计算,得出最终数据。
第二种方法是统一S波段测速测距系统,这是国际常规测轨手段之一,也是飞船上已有的手段。这种方法不受天气条件的影响,测速精度较高。
第三种方法是激光测距系统。科研人员在飞船的腹部装上激光反射镜,在飞船到达测控区内时,从地面发射出激光束,打到飞船的反射镜后反射回地面的接收设备,来测量飞船的在轨高度。这种方法在观测条件好的时候,可以获得厘米量级的测量精度,作为精密定轨的校验手段,来判断定轨结果的准确程度。
为了能得到精确的轨道高度,中国科学院及其他有关单位参加数据的接收和计算。这些单位在空间飞行器轨道确定和电离层物理领域内都有一定的基础和各自特有的优势。应该说这次精密定轨实验将依靠多家单位跨地区、跨部门的大联合、大协作共同完成。


看液滴在太空起舞
神舟四号有效载荷实验中,首次在长时间稳定的微重力环境下进行空间微重力流体物理科学实验。这一实验如同在太空开一场别开生面的“舞会”。
在太空中,不同大小的液滴摆脱了地球引力、浮力的羁绊,像一个个自由的“舞者”; “舞场”经过精心的设计,是一个有连续温差的硅油液;“舞者”将经历从冷到热的变化,依靠因温差产生的界面张力,在“舞场”中翩翩起舞,跳出专业上称作热毛细迁移的独有太空“舞步”。研究人员将利用自行设计的仪器将每一个“舞者”的每一个“舞步”精确记录下来,并传输回地面进行研究。
中国科学院国家微重力实验室的研究人员介绍说,液滴的太空“起舞”有广泛的理论与应用背景。
从理论上看,以往大多数的液滴、气泡的迁移研究多基于简单的线性、轴对称模式假设,以及小雷诺数的情况;而实际情况中会有较大的雷诺数液滴迁移的情况,对于大雷诺数情况,目前国际上研究很少。神舟四号飞船的空间飞行提供了长时间的微重力环境,流体物理实验就是要探讨非线性、非轴对称模式下,液滴迁移仅在热毛细作用影响下的规律,并希望在相关理论研究中取得突破。
该项目研究人员还介绍了在实际应用中,空间微重力流体物理实验的重要意义。他说,在未来的空间材料加工、晶体掺杂、空间焊接、电泳过程中以及宇航员生保系统等都会遇到液滴或气泡的迁移问题。空间微重力流体物理实验将为寻找空间气体、液体排出或是定向移动的方法,提供相关的理论依据,建立基本的理论模型,解决太空生活的实际问题。
人们期待着,这场精彩的太空“舞会”,能在流体力学的基础理论研究中取得新的突破。

多模态微波遥感器 太空演好戏
多模态微波遥感器是我国第一台实验性的微波遥感系统,也是神舟四号飞船有效载荷应用任务中的重头戏。与可见光和红外遥感相比,微波遥感器有其独特的优越性,它不受云、雷、雨的限制,可以全天时、全天侯工作,而器对土壤和植被具有一定的穿透能力。这一任务由三种微波遥感器担任“主角”,他们是:微波辐射计、雷达高度计和雷达散射计。他们主要用于海洋观测,同时兼顾陆地和大气遥感观测,在太空上演一出出好戏。
中国科学院空间科学与应用研究中心的研究人员介绍了三位“主角”在分工上的不同。微波辐射计主要用于探测土壤温度、降水、大气水汽含量、积雪、土壤成分、海面温度;还可以得到植被生长情况,对农作物进行估产。
雷达高度计已有近30年的发展历史。神舟四号上安装的高度计测量精度优于10厘米,根据高度计的测量可获得海浪的有效波高、海洋环流等海洋动力学参数,这种测量方法是目前能对全球范围的海水、海冰表面进行全天候、连续、实时高精度测量的惟一手段,对全球军事、自然灾害研究有十分重大意义。由于高度计测量的是飞船到海面的相对距离,如要得到海平面高度还要依赖精密定轨获得的数据。
雷达散射计在测量机理上采用了国际上先进的圆锥扫描方法,这种方法只有美国在卫星探测中使用过。它可以测量海面风速与风向,从而测到海面风场,可应用于海洋动力研究、海况预测及灾害监测等许多方面。
三位“主角”联手后,在太空中组成复合观测模式,将获得更全面、丰富的信息。这项在我国还是首创的技术,减小了载荷质量、缩小了体积、降低了功耗,可以获得对同一观测区域的不同遥感数据;通过对这些数据的融合处理,不仅可以得到目标全面的观测信息,而且也是对三种遥感器各自体制的技术验证。
微波遥感是新型的对地观测手段,被世界先进国家广为重视。这项应用任务将为我国海洋卫星、气象卫星上、微波遥感有效载荷的研制,为全天候信息的获取打下坚实的基础。

公用设备的服务支撑
神舟四号有效载荷中的公用设备与神舟三号、神舟二号相比几乎完全一致,只是根据神舟四号飞船上不同有效载荷和不同需求作了局部的适应性修改。据中国科学院空间科学与应用研究中心研究人员介绍,由于有效载荷公用设备分系统是有效载荷的支持系统,承担了有效载荷供配电、数据管理和传输等极其重要的任务,因此公用设备是否正常工作将直接关系到有效载荷任务的成败。
在公用设备的系统设计中,对于主要数据通路和主要设备都采取双冗余备份,主设备万一出现故障,将进行系统重构,切换为备份设备工作,避免了单点失效,确保飞船上各项科学实验顺利进行。但从神舟二号和神舟三号在轨运行情况来看,公用设备具有很高的可靠性,主设备工作正常,到目前为止还从未使用备份设备工作。
公用设备分系统由有效载荷电源、数据管理、数据传输和微重力测量子系统组成,为有效载荷提供了多项服务。公用设备将飞船上分散的有效载荷连接起来,构成相对独立的有效载荷系统,为有效载荷供配电和提供二次电源,进行有效载荷数据采集、处理、存储和传输,指令分发,信息共享及运行管理,同时通过S波段高速数传信道将有效载荷的科学数据及工程参数由飞船传输到地面接收站。
据参试人员介绍早在设计神舟二号有效载荷的公用设备时,就充分考虑了公用设备既要尽可能地减少飞船系统技术状态的变化,又要适应各艘飞船有效载荷的变化。因此在公用设备的系统设计中采用了多项先进的国际标准,比如数据管理系统采用以美军标1553B总线为通讯网络的分布式计算机系统,为有效载荷提供测控、数据注入、数据通信、数据广播和紧急消息等功能。同时由于神舟号飞船应用系统数据传输任务的复杂性,使用常规遥测无法满足数传要求,公用设备首次在国内航天器上采用了先进的CCSDS高级在轨系统数据标准,并研制成功实现CCSDS标准的关键设备──高速多路复接器。高速多路复接器运用虚拟信道和分包遥测的概念,将各种不同速率、不同应用过程、不同性质的数据异步复接为符合CCSDS标准的串行位流数据通过S波段发射机传输下行。
公用设备中的固态大容量存储器用于存储和回放多模态微波遥感和GPS的数据。该设备实现了RS纠错编码、存储失效检测和旁路功能,具有很高的可靠性。公用设备采用QPSK调制方式的S波段发射机传输有效载荷的高速数据。
据参试人员介绍,公用设备的总体方案设计和实现技术与代表当今世界上同类技术最高水平的国际空间站哥伦布舱非常类似,如采用分布式结构、双冗余的1553B总线和符合CCSDS标准的数据格式。特别是欧空局哥伦布轨道设备舱是主要从事科学实验的有效载荷舱,其任务情况与有效载荷公用设备分系统数据管理子系统最为接近。二者的设计思路、系统结构、总线选择、通讯协议与数据格式的选择上都非常相似,甚至在系统中都设计有功能相同的有效载荷通讯管理单元和数据复接完成单元。系统的技术特征涵盖了实现这一系统的最主要的几项关键技术。而公用设备在设计方案时间上和工程实现上均先于哥伦布舱,并经过神舟二号飞船和神舟三号飞船在轨运行的考验。
有效载荷公用设备不仅为有效载荷提供了全面服务,而且与飞船系统建立了一个统一的接口关系和配电管理。微重力测量仪测量飞船在各种工况下的微重力水平和重要条件的结构频谱,为各项科学实验的事后分析提供重要参数,为飞船重要事件的确认和分析提供依据。

空间电泳实验
与细胞融合实验正好相反,在神舟四号上第一次进行的生物大分子和细胞的空间分离纯化实验,是将生物样品利用电泳的方法分离提纯。
神舟四号飞船发射前一周,“生物大分子和细胞的空间分离提纯化实验”进行了最后一次地面电泳实验研究。实验用生物样品与太空飞行使用的是同一批样品,经过电泳实验分离提纯后,在电场的作用下,细胞色素C分子与牛血红蛋白分子分离开,在透明的玻璃试管中分别呈现出淡黄色和淡粉色。
中国科学院上海生命科学研究院研究人员介绍,这次太空实验样品在太空连续分离时间设计为1小时。实验中,样品被分级收集并在太空中进行光电检测,检测仪器与陆地完全一致。
据介绍,电泳的基本原理就是离子在外加电场下的迁移现象。由于各种离子在同一电场中的迁移率不同,从而达到分离的目的。在陆地上进行的电泳实验,分子因重力影响而产生热扩散,使样品的分离效果大幅度降低。而在太空环境中的电泳实验,消除了重力的影响,样品的分离率大幅度提高。
80年代,美国、德国都做过不少空间电泳仪实验。NASA和麦道公司曾联合在航天飞机上进行过七、八次空间电泳实验,结果表明,提纯纯度比地面高出5倍。用这种方法对一些高纯度的生物材料如氨基酸、多肽、蛋白质、核酸以及各种细胞的分离纯化,是生物医学和生物技术领域基础的应用技术。
我国首次在太空进行的电泳实验重在掌握空间电泳的基本技术和方法,主要目的是研究在微重力环境下有关电泳迁移率及各种影响因素而导致的动态过程稳定控制,分辨率控制以及空间制药分离纯化设备的设计技术等问题。